CN115561481B - 一种mems风速传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS风速传感器及其制备方法，MEMS风速传感器包括衬底、质量块、连接梁、缓冲弹簧、第一线圈层、第一绝缘层和转子；所述衬底为中空的环形结构；所述质量块设置于所述环形结构的内侧；所述质量块上固定有连接梁，所述连接梁与所述衬底之间连接所述缓冲弹簧；所述第一绝缘层设置于所述衬底的上表面，所述第一线圈层设置于所述第一绝缘层，且所述第一线圈套设于所述质量块的外侧；所述转子固定于所述质量块，所述转子的材料为磁性材料。本发明的一个技术效果在于，结构设计合理，使用非常方便，不仅受环境温度的影响小，而且能够有效提高MEMS风速传感器的量程。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统（MEMS）技术领域，具体涉及一种MEMS风速传感器及其制备方法。
背景技术
风速是反应气象条件的重要参数，其对于工农业生产、交通、建筑、航海、军事等领域具有重要影响，这就对快速准确的风速测量提出了要求。目前常见的风速传感器都是基于传统的机械结构，如风杯风速传感器、螺旋桨风速传感器以及声学风速传感器等，此类型的风速传感器往往具有较为庞大的体积，加工制备和维护成本较高。MEMS风速传感器的出现使得风速传感器实现了智能化和小型化的进步，此外，MEMS工艺与IC工艺相互兼容，可以实现批量化生产以降低成本。
目前常见的MEMS风速传感器有压阻式风速传感器、热式风速传感器和电容式风速传感器等。其中，由于压阻材料在受到温度影响时会导致阻值和压阻系数发生变化，因此，压阻式风速传感器存在温度漂移的问题；热式风速传感器基于温度变化来测量风速，但因为过高的风速使得器件表面的温度分布达到稳定，温度不再随风速增加发生变化，传感器输出达到饱和，因此其量程较小；电容式风速传感器普遍需要复杂的电容检测电路。
因此，目前的MEMS风速传感器存在结构设计不合理，使用不方便的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种MEMS风速传感器及其制备方法的新技术方案。
根据本申请的第一方面，提供一种MEMS风速传感器，包括：
衬底，所述衬底为中空的环形结构；
质量块、连接梁和缓冲弹簧，所述质量块设置于所述环形结构的内侧；所述质量块上固定有连接梁，所述连接梁与所述衬底之间连接所述缓冲弹簧；
第一线圈层和第一绝缘层，所述第一绝缘层设置于所述衬底的上表面，所述第一线圈层设置于所述第一绝缘层，且所述第一线圈层套设于所述质量块的外侧；
转子，所述转子固定于所述质量块，所述转子的材料为磁性材料。
可选地，MEMS风速传感器还包括第二绝缘层和第二线圈层；
所述衬底的下表面设置有凹槽，所述第二绝缘层覆盖所述凹槽的侧壁以及所述衬底的下表面；
所述第二绝缘层上设置有所述第二线圈层，所述第二线圈层在所述衬底的上表面的投影套设于所述质量块的外侧。
可选地，部分所述第二线圈层位于所述衬底的下表面对应的所述第二绝缘层上，部分所述第二线圈层位于所述凹槽的侧壁对应的所述第二绝缘层上。
可选地，所述质量块为正方体，四根所述连接梁分别位于所述质量块的四个侧壁的中部，且所述连接梁的远离所述质量块的一端连接所述衬底。
可选地，所述质量块、所述连接梁、所述缓冲弹簧的厚度均相同。
可选地，所述转子位于所述质量块的上表面中部，且所述转子在所述质量块的投影为十字型。
可选地，所述第一线圈层为螺旋状结构；
所述第二线圈层为螺旋状结构。
可选地，所述衬底的厚度为200-2000μm；所述质量块的厚度为5-50μm；所述第一线圈层以及所述第二线圈层的厚度为50-500nm。
根据本申请的第二方面，提供一种MEMS风速传感器的制备方法，用于制备如第一方面所述的MEMS风速传感器，包括：
选用N型单晶硅片作为衬底，通过光刻和等离子体增强化学气相沉积技术在衬底的上表面制备第一绝缘层；并通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第一绝缘层上制备第一线圈层；
在衬底的下表面设置凹槽，通过光刻和等离子体增强化学气相沉积技术在衬底的下表面以及凹槽的侧壁上制备第二绝缘层；并通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第二绝缘层上制备第二线圈层；
在所述衬底的上表面与所述凹槽的底壁相对应的位置通过光刻和刻蚀的方式释放连接梁和缓冲弹簧并得到质量块；
将转子通过胶粘的方式固定在质量块上。
可选地，采用3D打印的方法制备所述转子。
本发明的一个技术效果在于：
在本申请实施例中，质量块设置于环形结构的内侧；质量块上固定有连接梁，连接梁与衬底之间连接缓冲弹簧。转子的材料为磁性材料，且转子固定于所述质量块。一方面，缓冲弹簧能够显著增大转子在风力作用下的转动范围，增加了MEMS风速传感器的量程，另一方面，缓冲弹簧能够对转子的转动起到缓冲作用，避免连接梁在风力的作用下发生破坏，安全性较高。
进一步地，该MEMS风速传感器采用电磁感应的原理实现对风速的测量，并且MEMS风速传感器的量程增加，一方面MEMS风速传感器的性能受环境温度的影响小，另一方面MEMS风速传感器的输出随风速的升高而增大，不容易发生饱和，可以有效提高MEMS风速传感器的量程并扩展其适用场景。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的俯视图；
图2为图1中沿A-A’方向的剖面图；
图3为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的转子的结构示意图；
图4为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的衬底和第一绝缘层的结构示意图；
图5为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的第一线圈层的结构示意图；
图6为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的凹槽的结构示意图；
图7为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的第二绝缘层的结构示意图；
图8为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的第二线圈层的结构示意图；
图9为本发明一实施例的一种MEMS风速传感器的质量块的结构示意图。
图中：1、衬底；2、第一绝缘层；3、质量块；4、连接梁；5、缓冲弹簧；6、凹槽；7、第一线圈层；8、转子；9、第二绝缘层；10、第二线圈层。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1至图9所示，根据本申请的第一方面，提供一种MEMS风速传感器，包括衬底1、质量块3、连接梁4、缓冲弹簧5、第一线圈层7、第一绝缘层2和转子8。连接梁4、缓冲弹簧5用于将质量块3连接在衬底1上，使得转子8能够带动质量块3相对于衬底1发生转动。
具体地，参见图1和图2，所述衬底1为中空的环形结构；所述质量块3设置于所述环形结构的内侧；所述质量块3上固定有连接梁4，所述连接梁4与所述衬底1之间连接所述缓冲弹簧5。
进一步具体地，所述第一绝缘层2设置于所述衬底1的上表面，所述第一线圈层7设置于所述第一绝缘层2，且所述第一线圈层套设于所述质量块3的外侧。第一绝缘层2用于实现第一线圈层7与衬底1的电隔离。
所述转子8固定于所述质量块3，所述转子8的材料为磁性材料。例如，转子8的材质包括但不限于钕（NdFeB）和NdFeB/尼龙复合等一些便于3D打印的磁性材料。通过3D打印的方式制备转子8，操作简单，还有助于保证转子8的精度。
需要说明的是，该MEMS风速传感器的工作原理如下：
在风力作用下，转子8带动质量块3产生转动，由于转子8具有磁性，其在转动过程中会与第一线圈层7发生切割磁感线运动，根据电磁感应定律，将会引起第一线圈层7产生瞬时电动势。风速越快，转子8转动的越快，产生的电动势也就越大，从而实现将风速转换为电信号，最终实现风速测量。
在本申请实施例中，质量块3设置于环形结构的内侧；质量块3上固定有连接梁4，连接梁4与衬底1之间连接缓冲弹簧5。转子8的材料为磁性材料，且转子8固定于所述质量块3。一方面，缓冲弹簧5能够显著增大转子8在风力作用下的转动范围，增加了MEMS风速传感器的量程，另一方面，缓冲弹簧5能够对转子8的转动起到缓冲作用，避免连接梁4在风力的作用下发生破坏，安全性较高。
进一步地，该MEMS风速传感器采用电磁感应的原理实现对风速的测量，并且MEMS风速传感器的量程增加，一方面MEMS风速传感器的性能受环境温度的影响小，另一方面MEMS风速传感器的输出随风速的升高而增大，不容易发生饱和，可以有效提高MEMS风速传感器的量程并扩展其适用场景。
可选地，MEMS风速传感器还包括第二绝缘层9和第二线圈层10；
所述衬底1的下表面设置有凹槽6，所述第二绝缘层9覆盖所述凹槽6的侧壁以及所述衬底1的下表面；
所述第二绝缘层9上设置有所述第二线圈层10，所述第二线圈层10在所述衬底1的上表面的投影套设于所述质量块3的外侧。
在上述实施方式中，第二绝缘层9能够较好地实现衬底1和第二线圈层10之间的绝缘。在第二绝缘层9上设置第二线圈层10，第一线圈层7和第二线圈层10串联，有助于增加线圈的面积和匝数，从而增强线圈层的电信号变化以提升MEMS风速传感器的灵敏度。
可选地，部分所述第二线圈层10位于所述衬底1的下表面对应的所述第二绝缘层9上，部分所述第二线圈层10位于所述凹槽6的侧壁对应的所述第二绝缘层9上。
在上述实施方式中，通过在衬底1的下表面以及凹槽6的侧壁对应的位置处分别设置第二线圈层10，有助于进一步增加线圈的面积和匝数，使得第一线圈层7和第二线圈层10共同形成三维线圈，从而较好地增强线圈层的电信号变化，有助于显著提升MEMS风速传感器的灵敏度。
在风力作用下，转子8带动质量块3产生转动，由于转子8具有磁性，其在转动过程中会与第一线圈层7和第二线圈层10发生切割磁感线运动，根据电磁感应定律，将会引起第一线圈层7和第二线圈层10产生瞬时电动势，同时第一线圈层7与第二线圈层10采取串联的方式彼此级联，MEMS风速传感器所产生的总的电动势为第一线圈层7与第二线圈层10各自产生的电动势之和。风速越快，转子8转动的越快，产生的电动势也就越大，从而实现将风速转换为电信号，最终实现风速测量。
可选地，所述质量块3为正方体，四根所述连接梁4分别位于所述质量块3的四个侧壁的中部，且所述连接梁4的远离所述质量块3的一端连接所述衬底1。
在上述实施方式中，便于实现对质量块3的加工，同时也有助于保证通过连接梁4和缓冲弹簧5实现衬底1和质量块3之间连接的稳定性。
可选地，所述质量块3、所述连接梁4、所述缓冲弹簧5的厚度均相同。
在上述实施方式中，一方面，加工方便，有利于实现质量块3、连接梁4、缓冲弹簧5之间的装配；另一方面，也有助于保证质量块3随着转子8转动过程的稳定性。
可选地，参见图3，所述转子8位于所述质量块3的上表面中部，且所述转子8在所述质量块3的投影为十字型。
在上述实施方式中，转子8采用十字型结构，可以较好地增加MEMS风速传感器对风的感应面，从而有利于提高MEMS风速传感器的灵敏度
可选地，所述第一线圈层7为螺旋状结构；
所述第二线圈层10为螺旋状结构。
在上述实施方式中，第一线圈层7为平面的螺旋状结构，部分第二线圈层10为平面的螺旋状结构，部分第二线圈层10为立体的螺旋状结构，从而使得第一线圈层7和第二线圈层10形成三维线圈，有效地增加了线圈的面积和匝数，从而显著增强线圈层的电信号变化，有助于显著提升MEMS风速传感器的灵敏度。
可选地，所述衬底1的厚度为200-2000μm；所述质量块3的厚度为5-50μm；所述第一线圈层7以及所述第二线圈层10的厚度为50-500nm。
在上述实施方式中，有助实现对衬底1、质量块3、第一线圈层7和第二线圈层10的加工，也有助于实现MEMS风速传感器的快速装配，进而有助于保证MEMS风速传感器的灵敏度和精度。
在一个具体的实施方式中，衬底1的材质为单晶硅或玻璃，从而便于对衬底1进行加工。
进一步地，第一绝缘层2与第二绝缘层9的材料分别为二氧化硅或氮化硅中的至少一种，从而能够较好地实现衬底1和线圈层之间的绝缘。第一线圈层7和第二线圈层10的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种。
根据本申请的第二方面，提供一种MEMS风速传感器的制备方法，用于制备如第一方面所述的MEMS风速传感器，包括：
参见图4和图5，选用N型单晶硅片作为衬底1，通过光刻和等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）在衬底1的上表面制备第一绝缘层2；并通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第一绝缘层2上制备第一线圈层7。
例如，衬底1的厚度为500μm厚，第一绝缘层2的材质为二氧化硅，厚度为500nm。第一绝缘层2的形成方式比较简单，同时也能够较好地在第一绝缘层2上制备第一线圈层7。
再例如，通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第一绝缘层2的上表面制备20nm厚的Ti和100nm厚的Au，形成第一线圈层7。
参见图6，在衬底1的下表面设置凹槽6，通过光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，在硅片背面得到高度为480μm的凹槽6。
参见图7和图8，通过光刻和等离子体增强化学气相沉积技术在衬底1的下表面以及凹槽6的侧壁上制备第二绝缘层9，其中，第二绝缘层9的材质为二氧化硅，厚度为500nm。；并通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第二绝缘层9上制备第二线圈层10，例如，通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第二绝缘层9的下表面制备20nm厚的Ti和100nm厚的Au，形成第二线圈层10。
参见图1和图9，在所述衬底1的上表面与所述凹槽6的底壁相对应的位置通过光刻和刻蚀的方式释放连接梁4和缓冲弹簧5并得到质量块3。
将转子8通过胶粘的方式固定在质量块3上。
在上述实施方式中，MEMS风速传感器的制备方法设计合理，操作非常简单，有助于快速制备MEMS风速传感器。同时，使得MEMS风速传感器的加工工艺精度更高，一致性较好，成本较低。
可选地，采用3D打印的方法制备所述转子8。这使得转子8的制备非常简单，同时也有助于保证转子8制备的精度，从而较好地保证MEMS风速传感器的制备精度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种MEMS风速传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底为中空的环形结构；
质量块、连接梁和缓冲弹簧，所述质量块设置于所述环形结构的内侧；所述质量块上固定有连接梁，所述连接梁与所述衬底之间连接所述缓冲弹簧；
第一线圈层和第一绝缘层，所述第一绝缘层设置于所述衬底的上表面，所述第一线圈层设置于所述第一绝缘层，且所述第一线圈层套设于所述质量块的外侧；
转子，所述转子固定于所述质量块，所述转子的材料为磁性材料；
第二绝缘层和第二线圈层；
所述衬底的下表面设置有凹槽，所述第二绝缘层覆盖所述凹槽的侧壁以及所述衬底的下表面；
所述第二绝缘层上设置有所述第二线圈层，所述第二线圈层在所述衬底的上表面的投影套设于所述质量块的外侧；
部分所述第二线圈层位于所述衬底的下表面对应的所述第二绝缘层上，部分所述第二线圈层位于所述凹槽的侧壁对应的所述第二绝缘层上。
2.根据权利要求1所述的MEMS风速传感器，其特征在于，所述质量块为正方体，四根所述连接梁分别位于所述质量块的四个侧壁的中部，且所述连接梁的远离所述质量块的一端连接所述衬底。
3.根据权利要求1所述的MEMS风速传感器，其特征在于，所述质量块、所述连接梁、所述缓冲弹簧的厚度均相同。
4.根据权利要求1所述的MEMS风速传感器，其特征在于，所述转子位于所述质量块的上表面中部，且所述转子在所述质量块的投影为十字型。
5.根据权利要求1所述的MEMS风速传感器，其特征在于，所述第一线圈层为螺旋状结构；
所述第二线圈层为螺旋状结构。
6.根据权利要求5所述的MEMS风速传感器，其特征在于，所述衬底的厚度为200-2000μm；所述质量块的厚度为5-50μm；所述第一线圈层以及所述第二线圈层的厚度为50-500nm。
7.一种MEMS风速传感器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-6任意一项所述的MEMS风速传感器，包括：
选用N型单晶硅片作为衬底，通过光刻和等离子体增强化学气相沉积技术在衬底的上表面制备第一绝缘层；并通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第一绝缘层上制备第一线圈层；
在衬底的下表面设置凹槽，通过光刻和等离子体增强化学气相沉积技术在衬底的下表面以及凹槽的侧壁上制备第二绝缘层；并通过磁控溅射、光刻和刻蚀在第二绝缘层上制备第二线圈层；
在所述衬底的上表面与所述凹槽的底壁相对应的位置通过光刻和刻蚀的方式释放连接梁和缓冲弹簧并得到质量块；
将转子通过胶粘的方式固定在质量块上。
8.根据权利要求7所述的MEMS风速传感器的制备方法，其特征在于，采用3D打印的方法制备所述转子。
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